Пьезоэлектрический преобразователь

(21) (22) (46)- 47 ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ ОПИСАНИЕК АВТОРСКОМУ СВИ 3856833/24-1014.12.8407.10.86. Бюл. У 37 (72) Ф.Ф, Колпаков, В.А, Писарев, В.А. 111 евелев, В.Ф. Солодовник, В.Г. Тимошенко и А.А, Андреев (53) 531.781:536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР В 451927, кл. С 01 Ь 1/16, 1973.Авторское свидетельство СССР У 998874, кл. С 01 Ь 1/16, 1981. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного изме рения силы и температуры. Цель изоб-;ретения - повышение точности, Введение фильтра 6 разностной частоты иподключение его выхода к опорнымвходам преобразователей 7 и 8 частота - код, а также выбор информационных частот позволяют устранить погрешность устр-ва, обусловленнуюнеидеальной фильтрацией близко расположенных информационных частот,имеющихся на выходе автогенератора 3.Можно без потерь точности проводитьусреднение в преобразователях 7 и 8частота - код на малом времени, чтоувеличивает быстродействие устр-ва.4 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения силы и температуры, а также других приводимых к ним физических величин.Цель изобретения - повые 5 еение точ-, ности.На фиг, 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 спектр частот кварцевого резонатора 1.С-среза вблизи основной частоты; на фиг. 3 - вид температурно-частотной характеристики основного и интенсивных ангармонических колебаний кварцевого резонатора; на фиг. 4- ,процесс расфильтровки информационных частот.Устройство (фиг. 1) содержит упругий элемент 1 с кварцевым пьезорезонатором 2, подключенным к автогенератору 3, работающему в трехчастотном режиме и фильтры 4-6. Выход генератора 3 через фильтры 4 и 5, первый из которых настроен на основную частоту резонатора е (1555), а второй - на ангармонику Гз (1: ц ), связал с измерительными входами преобразователей 7 и 8 частота - код. Кроме того, выход автогенератора 3 через фильтр б, настроенный на раэностееуЕо частоту Г между основной частотой резоееатора и ангармоникой 1(Г ), связан с входами опорного сигнала преобразователей 7 и 8 частота - код, а их ВьЕходы подключены к входам нычислительееого блока 9, связанного с блоком О памяти.Устройство работает следующим образом.В качестве чувствительного элемента в устройстве используется кварцевый резонатор 2 1,С-среза, обладающий линейными температурно-частотными и сило-частотными характеристиками. Резонаторы этого типа, как и резонаторы АТ-среза, У-среза и т.д, принадлежат к пьеэореэонаторам с локализацией толщино-сдвиговых колебаний. Как и резонаторы АТ-срезакварцевые резонаторы 1.С-среза характеризуются помимо основного колебания сдвига по толщине целым рядомпобочных резонансов - ангармоник.Спектральные характеристики резонаторов 1.С-среза имеют такой же вид,как и спектральные характеристикирезонаторов АТ-среза.Кварцевые резонаторы 1 С-среза,как и резонаторы АТ-среза, являются40 45 50 55 5 1 О 15 20 25 30 35 мулезтиГЕОДОВМГ 555 (многомодОВыми) с инченсивне ГГЕИ аеегармоничегекими модами.Известно, что по сравнению с температурно-частотной характеристикой (ТЧХ) на основной моде колебаний 155 ТЧХ ангармонических модах для резонатора АТ-среза имеют тот же вид, но повернуты на определенный угол по часовой стрелке. Проведенные измерения ТЧХ на основном колебании и ангармониках кварцевых резонаторов 1.С-среза с помощью прецизионного термостата ТНРР показали, что ТЧХ ангармоническихфколебаний также поворачиваются относительно ТЧХ на основном колебании по часовой стрелке (фиг.3) и имееот, как и основное колебание, линейные ТЧХ, При этом, если основное колебание Й,55 и ближайшие ангармоники Ги 15 з, имеют положительный знак коэффициента, температурной чувствительности, то ангармонические моды 255 , 25 зз и т.д. частоты которых превышают в 1,2 раза частоту основного колебания, имеют уже отрицательный коэффициент температурной чувствительности, Наиболее интенсивным ангармоническим колебанием (с минимальным динамическим сопротивлением Р, всего лишь В 3-5 раз большим Р на основном колебании), имеющим отрицательный коэффициент температурной чувствительности, является колебание ГФ частоты которого для различных резонаторов в 1,22-1,24 раза превышают частоту основного колебания. Имеется практическая возможность получать для плосковыпуклых и двояковыпуклых линзовых кварцевых резонаторов АТ-среза выбором соответствующей геометрии пьезоэлемента как требуемый разнос между основным и ангармоническими резонансами, так и требуемые добротности основного и ангармонических резонансов путем изменения геометрии пьезоэлемента и электродов кварцевого резонатора. Экспериментальные исследования для резонаторов этого типа показали также воэможность раздельной подстройки частот основного и анг армонических колебаний путем допыления материала электрода или снятия части его. Такие же Возможности имеются и для плосковыпуклых резонаторов 1,С-среза.счета в иэмери" тельной системе текущие значения параметров силы 25 Р, Т и температуры соответственно;коэффициенты силовой чувствительности;коэффициентытемпературной а а аз,30 агагг ф ам чувствительности.Поскольку в устройствеиспользуется пьезорезонатор ,С-среза и, следовательно, выходной сигнал авто" генератора 3 содержит две близко расположенные частоты Х,(Е,), Е (Е ) и значительно отнесенную от них частоту Е(Е,), а также низкочастотное 40 колебание частоты Е,=Е -Е, (фиг.4), то в качестве информационных .частот выбраны частоты Е, Ег и Ер. Колебания частот Е и Е достаточно хорошо выделяются простыми фильтрами 5 и 6 с невысокими избирательными свойствами, так как частоты Е и Ер значительно удалены от частот Е, и Е . К фильтру 4 также не предъявляются высокие требования по избирательности, поскольку двух- частотный сигнал с его выхода, обусловленный близко расположенными частотами Е и Е с амплитудами А, и А соответственно (Аг/А,(1), усредняется преобразователем частота - код на периоде .Т= колебанияЕр Таким образом, в кварцевых резонаторах ЕС-среза имеется воэможность управлять разносом .основного колебания и ангармониками по частоте, их добротностью, а также величинами и 5 знаками коэффициентов температурной чувствительности на основном колебании и ангармонических модах.В пьезоэлектрическом преобразователе многочастотный автогенератор 10 3 возбуждается на трех некратных частотах Е,(Е), Е (Е ) и Е(Е), зависящих от измеряемых силы Р и температуры Т следующим образом:Е, =Ею +а,Р+аТ; 15 где Ею, Ег, Ео - значения частотв реперной точке, которая служит началом отчастоты Е =Е -Е, так как на опорный вход преобразователя 7 частотакод поступает колебание с фильтра 6 раэностной частоты Ер . Следовательно, погрешность преобразования эа счет наличия двухчастотного сигнала на входе преобразователя 7 частота - код отсутствует.Таким образом, введение фильтра 6 разностной частоты и подключение его выхода к опорным входам преобразователей 7 и 8 частота - код, а также выбор в качестве информационных частот Е Ер и Е позволяют устранить погрешность устройства, обусловленную неидеальной фильтрацией близко расположенных информационных частот Е, и Е , имеющихся на выходе автогенератора 3С другой стороны, снижаются требования к избирательным свойствам фильтров 4 - 6, а следовательно, уменьшаются затраты на их изготовление и упрощается устройство в целом. Кроме того, можно беэ потери точности,проводить усреднение в преобразователях 7 и 8 частота - код на малом времени1Т-" - , что увеличивает быстродей- Фствие устройства.Таким образом на выходах фильтров 4 - 6, настроенных соответственно на Основную частоту резонатора Е 1 В разностную частоту Е и на ангарРмонику Е , действуют сигналы видаЕр=Е-Е,. +(а-ао )Р+ +(агг-а,г )ТЕ =Е +а Р+а г Т.Сигналы Е, и Е поступают на информационные входы преобразователей 7 и 8 частота - код соответственно, а сигнал Ер - на входы опорной частоты обоих преобразователей. На выходе преобразователей 7 и 8 форми руются цифровые коды у, и у, пропорциональные отношения поданных частот Е, /Е и Е /Ер, зависящие от измеряемых йараметров Р и Т следующим образом:.Ео +ам Р+а, ТеЕ -Е 1 +(а-а)Р+(а, -а)ТЕзо +ар Р+аи ТЕго-Ею +(аг, -ая )Р+(агг аы )ТКоды у, и уг поступают на вычислительный блок 9, связанный с бло3 1262ком 10 памяти, который решает систему уравнений относительно искомыхпараметров Р и Т,Сравнивая выражения, определяющие величину относительной погреш 5ности параметров Р в зависимостиот относительных уходов коэффициентов чувствиТельности и начальныхчастот для известного и предлагаемо-,го устройств можно сделать, вывод.,что в предлагаемом устройстве по"грешность меньше. Это обусловленотем, что относительные уходы начальных значений частот в устройстве сильно коррелированы между собой,так как колебания возбуждаются водном резонаторе, а в известномустройстве относительные уходычастот опорного генератора не коррелированы с относительными уходами измеряемых частот, что и вызывает увеличение погрешности преобразования частоты в код, а следовательно, и вычисления параметра Р,Кроме того, использование в 25предлагаемом устройстве моды кварцевого резонатора с отрицательнымкоэффициентом температурной чувствительности Йя приводит к улучшениюобусловленности матрицы преобразования и, в конечном счете, к повышению точности определения Р и Т.Кроме того, предлагаемое устройство благодаря устранению опорногогенератора, который вместе с систе 35мой термостатирования представляетдостаточно сложное устройство,иМеет преимущества: снижается энергопотребление, габариты, масса истоимость; время готовности предлагаемого устройства с момента включения практически равно нулю, а визвестном устройстве оно определяется временем вьгкода. на режимтермостата и опорного генератора,307которое может достигать несколькихминут и более,Технические преимущества предлагаемого устройства в сравнении с известным заключаются в возможностиобеспечения более высокой точностиизмерения температуры и силы в упрощении устройства, снижении веса,габаритон, энергопотребления, в сниженииготовности устройства к работе с момента запуска, в упрощении устройст-,ва в целом,Повышаются точности измерениясилы и температуры, так как в предлагаемом устройстве устранена погрешность преобразования частоты в код, возникающая за счет неидеальной расфильтровки сигналов автогенератора, а также снижена погрешность вычисления параметров силы и температуры, возникающая за счет некоррелированных относительных уходов начальныхчастот автогенератора - датчика и опорного генератора, вызванных неинформативными факторами.формула изобретенияПьезоэлектрический преобразователь, содержащий кварцевый резонатор, закрепленный на упругом элементе и подключенный к автогенератору, каждый из двух выходов которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока с помощью последовательно соединенных фильтра и преобразователя частота - код, при этом вычислительный блок связан с блоком памяти, о т л и ч а ю щ и й ся тем, что, с целью повышения точности, в него введен фильтр разностной частоты, входом связанный с выходом автогенератора, а выходом - с входами опорного сигнала преобразователей частота - коц.1262307 бару бт Составитель А. ЭкономовА. Шишкина Техред Л.Олейник Корректор В, Бутяга РедакПодписноеСССР к ми ийаб.,т Ужгород ул. Проектная, 4 прияти 5412/37 Тираж 778 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Рауш